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1、量子点敏化太阳能电池光电转换性能的改进量子点敏化太阳能电池光电转换性能的改进量子点材料同传统染料相比，具有价格低廉、吸 收范围宽广和较为稳定等诸多优点。子点敏化材具有量子点所特有的子限制效应、碰撞离化化效应、俄歇效应以及小带结构，这些效应可用来增强光电转化效。量子点敏化太阳能电池的优势 以CdSe/TiO2电池为例:透明导电玻璃、氧化物半导体、量子点光敏化剂、电解液及金属/导电玻璃对电极等重要组成部分，如图1-9所示。量子点敏化太阳能电池的组成图1-5表示了量子点敏化太阳能电池的工作原理，即光电流的产生过程，电子通常经历以下七个过程：l(1)量子点(QD)受光激发由基态跃迁到激发态(QD*)Q
2、D+h QD*l(2)激发态量子点将电子注入到氧化物半导体的导带中(电子注入速率常数为kinj):QD*QD+e-(CB)l(3)氧化物导带(CB)中的电子在纳米晶网络中传输到后接触面(back contacts用BC表示)后而流入到外电路中:e-(CB)e-(BC)量子点敏化太阳能电池的工作原理l(4)纳米晶膜中传输的电子与进入二氧化钛膜孔中的I3-离子复合(速率常数用ket表示):I3-+2e-(CB)3I-l (5)导带中的电子与氧化态量子点之间的复合(电子 回传速率常数为kb):QD+e-(CB)QDl (6)I3-离子扩散对电极(CE)上得到电子再生:I3-+2e-(CE)3I-l
3、(7)I-离子还原氧化态量子点可以使量子点再生：3I-+2QD+I3-+QD 量子点敏化太阳能电池的工作原理提高太阳能电池效率的方法u1.优化光阳极纳米结构u2.选择适当能带结构的量子点与氧化物半 导体的匹配u3.改善量子点与氧化物半导体界面的特性u4.共敏化相关图片方法1.优化光阳极纳米结构在传统的基于无序纳米粒子的 DSSC 电池中，阳极纳米颗的多孔结构为一多晶的结构，电子在传输上容受到结构中缺陷的阻碍而损失。这是因为电荷的收集效率是由电子与电解质氧化物的复合速率和通过纳米粒子薄膜传输速率的相对值所决定的。如果电子通过纳米薄膜时的扩散速率快于复合速率，大部分的电荷可注入到半导体的电极。相反
4、，如果电子的复合比电子的扩散速率还快的话，只有很少的电子会达到收集电极。因为电子复合与传输速率相互依赖，不能独立改变，所以增加传输速率同时也增加了复合速率，而净的电子不会有改变。电子传输通常被认为是在浅陷阱间的一系列跳跃，一个电子从产生之时起，大约要经过 103106个纳米粒子才能到达收集电极，在这个“跳跃”过程中，许多位置实际上是复合中心。如果在某个特定的位点，复合时间比驻留时间还快的话，各个“跳跃事件”之间就互不相关了。因而，为了降低电子的损失，可减少电子在到达收集电极之前所经过纳米粒子的数量或者减少复合中心的比例。事实上，在无序的纳米粒子构成的薄膜中，很难兼顾这两点。优化光阳极纳米结构研
5、究表明，有序的纳米线可为注入的电子提供了一个通往收集电极的直接传递路径，改善了电子的传输速率，降低了电荷复合的几率。这主要是因为单晶的纳米线允许电子通过导带的扩展态来传输，该种传输机制区别于无序纳米粒子体系中的跳跃机制。在纳米线中，电子传输与电子复合间的依赖性不复存在，结果可以同时提高电子的传输速率和收集效率。此外，因为电子在纳米线中的传输速率远远高于在无序纳米粒子中的传输，较快的电子复合是可以容忍的，因此，在空穴传输材料的选择方面也有很大的灵活性。如可以用较低氧化还原电势的电解质来获得较高的开路电压，或者采用导电聚合物来制造高效的固态染料敏化太阳能电池。以 TiO2纳米粒子为基础的太阳能电池
6、是当前转化效率最高的染料化太阳能电池（转化效率为 11%）。但 TiO2很难生长各向异性纳米棒或纳米线，以获得高长径比的纳米材料。而 ZnO 为宽禁带直接带隙半导体材料，其具有很高的化学稳定性和热稳定性，在大气中不易被氧化。优化光阳极纳米结构与传统的 TiO2相比，ZnO 作为太阳能电池的阳极材料还有很多突出的优势：(1)ZnO 中有更高的电子迁移率(115-155cm2V-1s-1)，TiO2 中电子的迁移率为 10-5cm2V-1s-1；(2)ZnO 中电子的寿命更长(3)ZnO 中有比 TiO2更高的电子密度；(4)ZnO 更容易表面修饰。(5)最为重要的是，ZnO 的晶体结构有利于生长
7、各向异性的纳米结构，使其成为纳米线基光敏化太阳能电池的首选材料。但与 ZnO 纳米粒子相比，ZnO 纳米线表面积低，其降低了敏化剂吸附的效率，因而将直接影响光电转换效率。如果在ZnO 纳米线的表面生长分级结构，在保持有序结构的基础上同时提高纳米结构的表面积，从理论上讲，将有利于效率的提升。方法2.选择适当能带结构的量子点与氧化物半导体 的匹配在DSSC的工作原中，有机染敏化剂的最低未占据分子轨道 的能级必须高于氧化物半导体导带最低位置，才能有效地将电子注入；同时，染料的最高占据分子轨道必须高于氧化物半导体的价带，才能将空穴导出。相同地，半导体子点的导带最低能级位置必需高于氧化物半导体导带的最低
8、能级。图1-14 为各种半导体的能级位置图，由图中可观察到，按照传统的DSSC工作原理，并非所有半导体子点都能与本研究所使用的ZnO光电极的能级配合，如PbS、PbSe和CdSe 等材，虽然具有极广的吸光范围，但在能级方面无法与ZnO光电极配合的情况下，造成大部份的电子无法有效地向外传出。目前有些研究团队用离子吸附在TiO2薄膜表面，借此低导带能级，使其能与半导体子点的能级相互配合。也有学者用同的子点进逐层组装，通过费米能级的位移来增进激发电子的注入效。但在近期，有多篇使用CdSe、PnSe敏化TiO2获得光电转换效率的报道，说明量子点敏化太阳能电池同传统染料敏化太阳能电池的工作原理还是有一定
9、区别的，但至今为止未见有关量子点敏化太阳能电池工作原理的报道。方法3.改善量子点与氧化物半导体界面的特性同于有机染可用羧基官能基与氧化物半导体进化学吸附，文献中对子点在氧化物半导体上的组装一般通过化学浴沉积法或自组装单分子膜的方式将子点组装在多孔性的材上。然而在多孔性材内采用化学浴进组装时，沉积厚增加，常会发生表面孔被阻的情况，此一现象使电解质无法进入孔较深处进还原反应，导致严重的电子-空穴复合。另外，自组装单分子膜的方式通常用具有醇官能基的分子，在氧化物半导体或子点表面进改性，以增加子点与氧化物半导体之间的键合强与吸附，但是这类非共轭结构的分子，由于导电能好，将导致电子传导的阻上升，造成光电
10、下。采用自组装单分子膜与化学浴沉积相结合的组装法能有效避免电子-空穴的复合，可得到高的电池效。而使用表面张较小的醇类溶液可以克服阴、阳离子无法深入ZnO 内部孔反应的问题，可得到多的CdS 吸附量以及较佳的覆盖率。故将醇类溶液应用在自组装单分子膜与化学浴沉积相结合组装法中，应该有机会得到高的电池效。方法4.共敏化虽然量子点相比染料有很多的优势，但现阶段的研究结果表明，量子点敏化太阳能电池的光电转换效率比染料敏化太阳能电池低数倍甚至数十倍。这主要是由于二者在结构上的区别造成的，对比染料结构与量子点的结构，我们不难发现：在染料分子中，存在给体和受体，如图1-15所示，在染料的内部就可以形成电荷的分
11、离，电子存在于LUMO，与光阳极连接并顺利注入，而空穴存在于HOMO，远离光阳极而与电解液接触，直接被电解液还原；量子点自身在吸收阳光后产生电子空穴对，但是单独的量子点并不能产生电荷分离，需要与之连接能够发生电子注入的材料才可以实现电荷的分离，而量子点又直接暴露于电解液之中，可以与电解液发生反应，因而单独使用量子点连接光阳极，其电子容易发生复合，同时产生的电子也可以被电解液夺走进而降低了电子注入的效率。共敏化我的想法我的想法u对DSSC电池来说，目前还存在着一些制约因素。u染料敏化太阳能电池的发展在近年来已经止步不前，量子点敏化太阳能电池虽然有很大潜力，但目前也没有取得突破性进展。或许，我们放开思路、拓展视野，能够得到一种更好、更廉价、更稳定的太阳能电池结构。如何更有效地利用太阳光，如何使得电池能接收更多的太阳能，也可以是今后使得太阳能电池普及的一个切入点。希望，在不久的将来，太阳能电池能够真的飞入寻常百姓家。THANK YOU